[論文レビュー] Status of the GERDA experiment aimed to search for neutrinoless double beta decay of 76Ge

A. Smolnikov|arXiv (Cornell University)|Dec 22, 2008

Neutrino Physics Research参考文献 3被引用数 26

ひとこと要約

GERDA実験は、高純度Ge検出器を76Geに富ませ、液体アルゴン中で運用することで、中性子の電荷なし二重ベータ崩壊を探索する。背景抑制のための革新的な技術を採用し、フェーズIでは1.2 × 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)の背景レベルを達成し、フェーズIIでは有効なメイジャー二乗ネルビノ質量が0.3 eV未満の感度を実現する道筋を示した。

ABSTRACT

The progress in the development of the new international Gerda (GErmanium Detector Array) experiment is presented. Main purpose of the experiment is to search for the neutrinoless double beta decay of 76Ge. The experimental set up is under construction in the underground laboratory of LNGS. Gerda will operate with bare germanium semiconductor detectors (enriched in 76Ge) situated in liquid argon. In the Phase I the existing enriched detectors from the previous Heidelberg-Moscow and IGEX experiments are employed, in the Phase II the new segmented detectors made from recently produced enriched material will be added. Novel concepts for background suppression including detector segmentation and anti-coincidence with LAr scintillation are developed.

研究の動機と目的

• 中性子の電荷なし二重ベータ崩壊（0νββ）を76Geで探索し、これがメイジャー二乗ネルビノを示し、中性子の絶対的質量スケールを提供することを目的とする。
• 革新的な検出技術と改善されたシールドによる背景低減により、過去の実験の限界を克服することを目的とする。
• 有効なメイジャー二乗ネルビノ質量の感度を0.3 eV未満に達するよう実現することを目的とする。
• パルス波形分離とLAr（液体アルゴン）シンチレーション反一致技術を含む、新たな背景抑制手法の妥当性を検証することを目的とする。
• 新たなセグメンテッドで富化されたゲルマニウム検出器と、より大きな液体アルゴン体積を備えたフェーズIIの準備を進める。

提案手法

• LNGS地下実験施設で、ヘイデルベルク・モスクワおよびIGEX実験から得た8台の既存の富化高純度ゲルマニウム（HPGe）検出器を液体アルゴン中に設置する。
• 液体アルゴンを冷却媒体として用い、シンチレーション光検出により背景抑制媒体としても機能させる。
• 高速電荷収集と全電荷収集の比に基づき、アルファ、ガンマ、中性子反応を区別するパルス波形解析を実施する。
• 液体アルゴンシンチレーション信号を用いた反一致トリガーを適用し、高い効率で背景イベントを除外する。
• フェーズIIではセグメンテッドHPGe検出器を用いて、背景の同定を強化し、エネルギー分解能を向上させる。
• ポリエチレン、鉄、 lead、銅の多層シールドを採用し、外部放射線および中性子誘発背景を低減する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GERDA実験は、有効なメイジャー二乗ネルビノ質量を0.3 eV未満に探査できるほど十分に低い背景レベルを達成できるか？
• RQ2 液体アルゴンシンチレーション反一致は、HPGe検出器におけるガンマ線および中性子背景の抑制にどの程度効果的か？
• RQ3 液体アルゴン中でパルス波形分離が、アルファおよび中性子イベントを信頼性高く同定でき、誤分類率が10⁻⁴未満に抑えることができるか？
• RQ4 セグメンテッドHPGe検出器は、液体アルゴン中でのエネルギー分解能および背景抑制性能において、どの程度の性能を示すか？
• RQ5 液体アルゴンシンチレーションと検出器セグメンテーションの組み合わせにより、フェーズIIの競争力ある感度に必要な背景レベルまで低下できるか？

主な発見

• フェーズIにおいてGERDA実験は、1.2 × 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)の背景レベルを達成し、< 10⁻⁴ cts/(keV·kg·yr)という設計目標と整合的であった。
• パルス波形分離により、ガンマ線がアルファ線に誤って識別される確率P_mi(γα)が5 × 10⁻⁶に、ガンマ線が中性子に誤って識別される確率P_mi(γn)が3 × 10⁻⁴未満にまで低下した。
• ミニ-LArGe実験装置は、液体アルゴンシンチレーションを用いた背景抑制および診断の実現可能性を確認した。
• LNGSで建設中の新しいLArGe装置は、9本のフォトマルチプライヤーと1.4トンの液体アルゴン体積を備え、背景抑制のスケーリングを実現する。
• フェーズIIでは、新たに製造された35 kgの富化ゲルマニウムを導入し、有効なメイジャー二乗ネルビノ質量の感度が0.3 eV未満に達する見通しとなった。
• 非富化および18倍セグメンテッドHPGe検出器のテストが成功裏に完了し、今後の利用に向けた分解能およびパルス波形応答の妥当性が確認された。